Regeneration is a process that renews damaged or lost cells, tissues, or even of entire body structures, and is a phenomenon which is widespread in the animal kingdom. Urodeles such as newts and salamanders have a remarkable regeneration ability. They can regenerate organs such as gills, lower jaws, retina, appendages like fore- and hind limbs, and also the tail including the spinal cord. The regeneration process requires the use of resident stem cells or somatic cells, which have to be reprogrammed. In both cases the reprogrammed cells are less differentiated, meaning the cell would have the ability to form any kind of fetal or adult cell which rose from the three different germ layers, the ectoderm, mesoderm and endoderm. Artificial reprogramming of differentiated mammalian somatic cell had been reported previously. It was shown that four pluripotency factors, OCT4 (also called POU5f1), SOX2, c-MYC and KLF4 are sufficient to generate an induced pluripotent stem (iPS) cell. It has been shown that some of these factors are also involved in regenerating processes. In newt limb and lens tissue, Sox2, c-Myc and Klf4 mRNA levels were upregulated in the beginning of blastema formation when compared to non-amputated tissue. Oct4 mRNA however, was not detected. During xenopus tail regeneration, Sox2 and c-Myc were expressed, while the xenopus Pou homologs Pou25, Pou60, Pou79, Pou91 were not detected. In regenerating zebrafish fin tissue, Sox2, Pou2, c-Myc and Klf4 mRNA were not upregulated. The mammalian transcription factor OCT4, a class V POU protein, is responsible in maintaining pluripotency in gastrula stage embryos. It was reported that mouse OCT4 is also expressed in the caudal node of embryos having 16 somites. It is further known that progenitors exist in mouse tailbud, which give rise to neural and mesodermal cell lineage. This suggests that the OCT4 expressing cells in caudal node might be a stem cell reservoir. Oct4 was detected in axolotl during embryonic development, and prior to my work we found Oct4 when screening the axolotl blastema cDNA library. In addition, we also identified Pou2, another class V POU gene. Phylogenetic analysis showed a clear distinction of both genes in the axolotl. We determined the mRNA pattern of Pou2 during embryogenesis and compared it to Oct4 mRNA and protein. Both genes are expressed in the primordial germ cells and the pluripotent animal cap region of the embryo. Apart from this similarity, both genes have a different expression pattern in the embryo. We are interested in the involvement of OCT4, POU2, as well as the transcription factor SOX2 in regenerating axolotl spinal cord. We asked whether the cellular pluripotent character conferred by POU factors is limited to mammals or if it is an ancient characteristic of lower vertebrates. To answer the question we performed in vitro and in vivo studies. Hence this thesis is separated into two chapter. By in vitro studies we investigated the pluripotent PouV orthologs from different species. Therefore, we performed reprogramming experiments using mouse or human fibroblasts and transduced them with axolotl Oct4 or Pou2, in combination with human or axolotl Sox2, c-Myc and/or Klf4. The generated iPS cells with the different sets of factors had similar endogenous pluripotency gene expression profiles to embryonic stem cells. Further, iPS cells expressed the pluripotency markers like OCT4, NANOG, SSEA4, TRA1-60 and TRA1-81. Another evaluation of the iPS cells was the formation of embryoid bodies. Immunouorescence staining showed that tissue from all three germ layers was formed after induction. We observed a positive staining for the endoderm marker !-FEROPROTEIN, the mesoderm marker !-SMOOTH MUSCLE ACTIN and the ectoderm marker \"III TUBULIN in the generated cells. This indicated that the iPS cells generated using axolotl Oct4 and Sox2 in combination with mammalian Klf4 and with or without c-Myc, as well as iPS cell generated with axolotl Pou2 and mammalian Sox2 and Klf4 and with or without c-Myc have a pluripotent potential. In addition, the axolotl factors are able to form heterodimers with the mammalian proteins. Furthermore, we compared the reprogramming ability with POU factors from mouse, human, zebrash, medaka and xenopus. We showed that xenopus Pou91, as the only non-mammalian example, is nearly as efficient as mouse and human Oct4 cDNAs in inducing GFP expressing cells. Also axolotl Pou2, axolotl Oct4 and medaka Pou2 showed reprogramming character however at a much lower efficiency. In contrast, zebrash Pou2 is not able to establish iPS cells. This indicates that a reprogramming ability to a pluripotent cell state is an ancient trait of Pou2 and Oct4 homologs. By in vivo studies we investigated the role of Oct4, Pou2 and Sox2 gene expression in regenerating spinal cord tissue. Performed in situ hybridizations and antibody staining studies in the regenerating spinal cord showed that Oct4, Pou2 and Sox2 were expressed during spinal cord regeneration. Knockdown experiments in regenerating spinal cord using morpholino showed that Pou2-morpholino does not have an effect. In contrast, SOX2 was required for spinal cord regeneration but to a lesser extent, than OCT4, which decreased the regenerated length signicantly compared to control. Even though, with Sox2-morpholino we did not observe the phenotype as a significantly shorter regenerated spinal cord, about 45% of SOX2 knocked down cells were not cycling and proliferating anymore. This indicates that axolotl SOX2 has an effect in regeneration. Therefore we wanted to know whether spinal cord cells would also have a pluripotent character in vivo and form other tissue types. Regenerating cells of the spinal cord are only able to form the same cell type and thus they keep their cell memory. However, when we performed transplantations of OCT4/SOX2 expressing spinal cord cells into somite stage embryos, we could show the formation of muscle cells. This shows that the spinal cord cells have the potential to change their fate in an embryonic context, where the normal environment of spinal cord has changed. However, our data do not indicate whether muscle is formed directly from the spinal cord or whether spinal cord cells fuse to developmental myoblasts, a cell type of embryonic progenitors, which give rise to muscle cells. To clearly state whether regenerating OCT4/SOX2 expressing spinal cord cells are pluripotent we have to perform OCT4 knock down in spinal cord and transplant these less proliferating cells into embryos, observing their cell fate.

In Europa und den USA stellt das Mammakarzinom die häufigste Krebserkrankung der Frau dar. Zwei Signalwege scheinen bei der Persistenz des Brustkrebses von besonderer Bedeutung zu sein – der Wnt-Signalweg und der Syndecan-1-Signalweg. Der Wnt-Signalweg ist in über 50 % der Brustkrebsfälle aktiviert, wobei die Ursachen für diese Aktivierung noch nicht vollständig geklärt sind. Bisher konnten Studien zeigen, dass Progesteron sowohl in den kanonischen als auch nicht-kanonischen Wnt-Signalweg regulatorisch eingreift. Die Rolle der Gestagene wurde, im Gegensatz zu den Östrogenen, bei der Karzinogenese des Mammakarzinom längere Zeit kontrovers diskutiert. Neuere Studien belegen jedoch deren funktionelle Relevanz in frühen Stadien der Karzinogenese. Aufgrund dieser Erkenntnisse und ihrer mehrfach nachgewiesenen antitumoralen Wirkung rücken Antigestagen-wirkende Substanzen als Therapieansätze wieder in den Fokus der Forschung. Innerhalb dieses Teilprojekts sollte die Wirkung des Antigestagens RU-486 auf die Regulation der am Wnt-Signalweg beteiligten Proteine untersucht werden sowie dessen funktionelle Relevanz für Brustkrebszellen. Hierfür wurden drei verschiedene Brustkrebszelllinien, MCF-7, T-47D und MDA-MB-231, verwandt. Als Ergebnis dieser Untersuchungen konnte ein neuer Wirkmechanismus von RU-486 auf Brustkrebszellen belegt werden. Dabei hemmte RU-486 die Expression von WNT1 in MCF-7-Zellen. Für diese Zelllinie scheint WNT1 ein entscheidender Überlebensfaktor zu sein, da sie einerseits die höchste WNT1-Expression aufwies und andererseits mit einer gesteigerten Vitalität auf die WNT1-Behandlung reagierte. Weitere Versuche zeigten, dass RU-486 über die Hemmung der WNT1-Expression zu einer verminderten Vitalität der MCF-7-Zellen führte. An dieser antitumoralen Wirkung von RU-486 scheint sowohl der Progesteron- als auch der Glukokortikoidrezeptor beteiligt zu sein. Da der Wnt-Signalweg in einem Großteil der Brustkrebsfälle aktiviert ist, sind in diesem Zusammenhang weitere Untersuchungen zur Wirkung von Antigestagenen auf diesen Signalweg sinnvoll. Auch der Einsatz von HSP90-Inhibitoren, welche die Aktivierung der Steroidhormonrezeptoren hemmen, wäre in diesem Kontext ein möglicher Ansatz. Diese Substanzklasse wird derzeit präklinisch und klinisch untersucht. Das zweite Teilprojekt beschäftigte sich mit der Regulation von Syndecan-1 und dessen Auswirkung auf Brustkrebszellen und der Interaktion mit dem Osteoprotegerin. Die Rolle von Syndecan-1 beim Brustkrebs ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Jedoch konnten zahlreiche Studien den Einfluss dieses Proteoglykans auf physiologische und pathophysiologische Prozesse belegen. Aufgrund der vielfältigen Interaktionen von Syndecan-1 mit anderen Proteinen und dem Vorliegen zweier verschiedener Formen – membranständig und löslich, erlangt diese Thematik eine hohe Komplexität. Innerhalb dieser Arbeit sollte die Expression und Regulation von Syndecan-1 in den schon im ersten Teilprojekt verwandten Brustkrebszellen untersucht werden. Zur Behandlung wurden für die Therapie des Mammakarzinoms relevante Substanzen ausgewählt (Zoledronsäure, Dexamethason, Aromataseinhibitor). Nachfolgend sollte der Einfluss der Syndecan-1-Regulation auf das Zellschicksal sowie die Interaktion mit Osteoprotegerin, einem bedeutenden Regulator des Knochenstoffwechsels, untersucht werden. Die Analysen zeigten, dass alle drei Zelllinien Syndecan-1 exprimierten. Eine starke Induktion der Syndecan-1-Expression erfolgte bei MCF-7-Zellen nach Behandlung mit Dexamethason. Die Frage zur funktionellen Relevanz dieser Dexamethason-abhängigen Syndecan-1-Stimulation für das Zellschicksal dieser Brustkrebszelllinie blieb, trotz der umfangreichen Untersuchungen verschiedenster Funktionen (Vitalität, Apoptose, Migration und Invasion), unbeantwortet. Von besonderer funktioneller Bedeutung sind jedoch die Ergebnisse zur Syndecan-1/Osteoprotegerin-Interaktion. Aus der Literatur ist bereits bekannt, dass Osteoprotegerin über die Heparansulfatseitenketten von Syndecan-1 gebunden, internalisiert und abgebaut werden kann. Neu ist jedoch, dass auch auf transkriptioneller Ebene eine Regulation von Osteoprotegerin durch Syndecan-1 erfolgt. So konnte anhand von Untersuchungen innerhalb dieses Teilprojekts gezeigt werden, dass die Hemmung der Syndecan-1-Expression mittels siRNA mit einer gesteigerten Expression von Osteoprotegerin einhergeht. Aufgrund der Bedeutung von Osteoprotegerin für den Knochenstoffwechsel können weitere Untersuchungen zur Osteoklastogenese angeschlossen werden. Mittels Osteoklastenassays sollte untersucht werden, inwieweit die erhöhten Osteoprotegerinkonzentrationen im konditionierten Brustkrebszellmedium die Reifung der Osteoklasten hemmt. Ergebnisse dieser Untersuchungen könnten zum Verständnis beitragen, inwieweit die Syndecan-1-Osteoprotegerin-Wechselwirkungen zur Entstehung von Knochenmetastasen beitragen. Zusammenfassend lässt sich hervorheben, dass durch diese Arbeit neue Erkenntnisse über zwei für das Mammakarzinom bedeutende Signalwege, den Wnt- und Syndecan-1-Signalweg, erbracht wurden. Im ersten Teilprojekt konnte ein neuer Mechanismus der antitumoralen Wirkung von RU-486, welche über die Hemmung des Protoonkogens WNT1 erfolgt, auf Brustkrebszellen belegt werden. Im zweiten Teilprojekt wurde Dexamethason als ein Regulator von Syndecan-1 identifiziert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sich Syndecan-1 und Osteoprotegerin nicht nur auf Protein- sondern auch auf der transkriptionellen Ebene beeinflussen.

Bei den konventionellen Krebstherapien kommt es häufig zu einer Wiederkehr des Tumors, da meist einzelne Tumorzellen und abgesiedelte Metastasen im Körper verbleiben. Vor diesem Hintergrund hat die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden, die spezifisch die Tumorzellen erkennen und eliminieren und zudem gesunde Körperzellen schonen, eine große Bedeutung in der heutigen Krebsforschung. Eine erfolgsversprechende Strategie ist die Generierung von tumorspezifischen, zytotoxischen Immuneffektorzellen, zum Beispiel T-Lymphozyten und Natürlichen Killerzellen, durch die genetische Modifikation mit einem chimären Antigenrezeptor (CAR). Dabei gibt es bereits weitreichende Studien mit T-Lymphozyten, so dass sich nun das Forschungsinteresse immer mehr auf die NK-Zellen richtet. Im Gegensatz zu CAR-armierten T-Lymphozyten sind sie in der Lage ihr antitumorales Potenzial nicht nur gegen Antigen-positive sondern auch MHC-Klasse I-negative Tumorzellen zu richten. Mögliche Zielstrukturen der CAR sind tumorassoziierte Antigene, wie das Prostata-spezifische Stammzellantigen (PSCA). Es wird auf über 94 % der humanen primären Prostatakarzinome und deren Knochenmetastasen verstärkt exprimiert, jedoch kaum auf Normalgewebe. PSCA ist somit ideal für eine Immuntherapie geeignet. Die bisher in Studien verwendeten CAR-armierten NK-Zellen wiesen eine feststehende Spezifität gegenüber einem bestimmten Tumorantigen auf. Allerdings ist die Expression von Tumorantigenen innerhalb des Tumors sehr heterogen oder wird durch Tumorevasionsmechanismen herunterreguliert. Dies begrenzt die Reaktivität CAR-armierter NK-Zellen. Durch die Generierung eines CAR, dessen Spezifität gegenüber einem Tumorantigen ausgetauscht werden kann, wäre der universelle Einsatz CAR-armierter NK-Zellen in der adjuvanten Immuntherapie von Tumorerkrankungen möglich. Im Hauptteil dieser Arbeit wurden die permanente NK-Zelllinie YTS und primäre humane NK-Zellen mittels lentiviralen Gentransfers mit einem PSCA-spezifischen CAR, bestehend aus dem gegen PSCA gerichteten Einzelkettenantikörper αPSCA und dem aktivierenden NK-Zellrezeptor NKp46, armiert. Die generierten NK-Zellen wiesen eine über längere Zeiträume stabile Oberflächenexpression des CAR αPSCA-NKp46 auf. Die Kreuzvernetzung des CAR mit seinem Antigen führte zunächst zu keiner selektiven Immunantwort der CAR-armierten YTS und primären NK-Zellen gegenüber histogenetisch verschiedenen, PSCA-exprimierenden Tumorzelllinien. Erst nach gleichzeitiger Überexpression des mit NKp46 assoziierten Signaladaptermoleküls CD3-ζ wurde eine Aktivierung der Effektorfunktionen der YTS NK-Zellen induziert. Dies zeigte sich zum einen in der Expression von CD107a als Degranulationsmarker sowie der Freisetzung des inflammatorischen Zytokins IFN-γ. Zum anderen wiesen die CAR-armierten und CD3-ζ-exprimierenden YTS NK-Zellen eine spezifische Zytotoxizität gegenüber MHC-Klasse I- und PSCA-exprimierenden Tumorzellen auf. Im anschließenden Teil der Arbeit wurde ein modular aufgebauter CAR generiert, bei dem der Einzelkettenantikörper und folglich die Spezifität gegenüber Tumorantigenen austauschbar ist. Dazu wurden YTS NK-Zellen durch lentiviralen Gentransfer mit dem biotinylierbaren NKp46-NK-Zellrezeptor NKp46-KiBAP modifiziert, der über mehrere Monate stabil auf der Oberfläche exprimiert wurde. Die exogene als auch endogene Biotinylierung des Rezeptors wurde mittels einer Biotinproteinligase demonstriert. Unter Ausnutzung der sehr starken Biotin-Avidin-Bindung wurde die Assoziation mit einem Einzelkettenantikörper nachgewiesen. Dafür wurde exemplarisch der gegen PSCA gerichtete, biotinylierbare Einzelkettenantikörper αPSCA-BAP verwendet. Diese Arbeit zeigt, dass eine spezifische Erkennung und effiziente Lyse von PSCA-exprimierenden Tumorzellen durch die generierten CAR-armierten NK-Zellen erfolgte, wobei zum ersten Mal NKp46 als Bestandteil eines CAR verwendet wurde. Zudem wurde ein modular aufgebauter CAR generiert, dessen Spezifität gegenüber Tumorantigenen austauschbar ist. Diese neuartige Strategie ermöglicht erstmalig eine flexible Armierung von NK-Zellen und stellt damit einen wesentlichen Vorteil bei der Behandlung verschiedener Krebserkrankungen dar.

Adult hippocampal neurogenesis is regulated at various levels and by various factors. Genetic influence is an important key determinant of adult neurogenesis and exerts its effects at all levels. In vivo studies have suggested that adult hippocampal neurogenesis is highly variable and heritable among different laboratory strains of mice. To dissect the genetic effect from other contributing factors, it is necessary to study adult neurogenesis under highly controlled environment conditions. We extracted adult hippocampal precursor cells (AHPCs) from 20 strains of the BXD set of recombinant inbred mice, cultured them and studied the effect of genetic background on neurogenesis. The BXD panel consists of mouse lines derived from an intercross between inbred parentals C57BL/6J and DBA/2J. Both of the parentals are fully sequenced and all the strains are well characterized in terms of genotypic and phenotypic characteristics. This allows us to use advanced genetic techniques to identify novel genomic loci and gene-gene interactions important in adult neurogenesis. Comparison of the AHPCs from 20 BXD strains, with respect to cell proliferation and neuronal and astrocytic differentiation in vitro, revealed a large variation for these traits across the strains. Proliferation, as measured by BrdU incorporation, showed over two- fold differences between the extremes. Similar differences were observed for neurogenic (4-fold) and astrogenic differentiation (2-fold). These three traits all showed strong heritability values indicating that the differences were mainly attributed to the genetic component. QTL mapping, with these phenotypic data, revealed that there was no major contribution from single loci controlling these traits. Instead, we found many loci with smaller effects associated with these traits. Gene expression profiling using RNA samples from proliferating cultures of the 20 BXD mice strains yielded two cis eQTL candidates that directly regulated proliferation, LRP6 and Chchd8. LRP6 is well known as a co-receptor of Wnt signaling, but the function of Chchd8 is not known. Further experimentation, using over expression and gene silencing demonstrated that LRP6 negatively regulates AHPCs proliferation. Thus, from this study using a system genetics approach, we were able to identify, LRP6 as a novel regulator of adult hippocampal neurogenesis.

Shiga Toxin produzierende Escherichia coli (STEC) sind wichtige Erreger von Lebensmittelinfektionen und gelten als Hauptverursacher für die Ausbildung einer hämorrhagischen Colitis und dem lebensbedrohlichen hämolytisch-urämischen Syndrom. Als Hauptvirulenzfaktor und wichtigstes Charakteristikum der STEC wird die Fähigkeit angesehen, Shiga Toxine (Stx) zu produzieren. Die genetische Information für deren Produktion ist im Genom lambdoider Prophagen kodiert. Eine Antibiotikatherapie bei STEC-assoziierten Infektionen wird sehr kontrovers diskutiert, da sowohl die Produktion der Stx als auch die Freisetzung der Bakteriophagen in vitro durch antibiotisch wirkende Substanzen stimuliert werden kann. Der enterohämorrhagische E. coli O157:H7 Stamm EDL933 beherbergt insgesamt 18 lambdoide Prophagen und prophagenähnliche Elemente, darunter den Stx1-kodierenden Phagen CP-933V und den Stx2-kodierenden Phagen BP-933W. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss des Gyrasehemmers Norfloxacin auf das Gesamttranskriptom von EDL933 mit Hilfe der DNA-Microarraytechnologie und unter Verwendung des MWG E. coli O157 Arrays umfassend zu untersuchen und insbesondere die Expression der Prophagengene zu analysieren. Hierfür wurde der E. coli O157:H7 Stamm EDL933 mit 200 ng/ml Norfloxacin inkubiert, Gesamt-RNA isoliert und diese mittels reverser Transkription in cDNA synthetisiert, wobei ein Einbau von fluoreszenzmarkierten Nukleotiden erfolgte. Diese cDNA wurde mit den auf dem E. coli O157 Array befindlichen Oligonukleotiden hybridisiert. Die Auswertung der Fluoreszenzintensitäten ermöglicht eine Analyse der Genexpression. Infolge der Induktion von EDL933 mit 200 ng/ml Norfloxacin zeigten 118 Spots eine Hochregulation und 122 eine Deregulation von Genen an. Bei genauerer Betrachtung resultierte auf Grund der Inkubation mit Norfloxacin eine erhöhte Expression von 52 Genen der Stx-kodierenden Phagen CP-933V und BP-933W. Insbesondere erfolgte eine erhöhte Regulation von Genen der späten Region des BP-933W. Das stxA2-Gen wurde dabei im Vergleich zur nicht-induzierten Kultur 158-fach stärker exprimiert. Im Falle des Stx1-Phagen wiesen nur einige Gene der frühen Region eine gesteigerte Genaktivität auf. Auffallend war die Hochregulation einzelner Gene der nicht Stx-kodierenden Phagen. Gene des Primärstoffwechsels, u. a. Gene der Aminosäurebiosynthese, des Energiehaushaltes und der Zellteilung zeigten eine verminderte Genaktivität nach Induktion. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die verwendete Konzentration von Norfloxacin große Auswirkungen auf das Gesamttranskriptom des untersuchten Stammes haben und insbesondere die Genexpression von zehn im Genom des EDL933 befindlichen Prophagen erhöht wurde. Die durch die Microarrayversuche erhaltenen Expressionsraten wurden durch Quantifizierung der cDNA mittels RT Real-Time PCR Untersuchungen überprüft. Zusammenfassend ist festzustellen, dass Norfloxacin neben der antibiotischen Wirkung in der hier verwendeten geringen Konzentration multiple Effekte auf E. coli O157:H7 ausübt und die Auswirkungen in Zukunft noch detaillierter untersucht werden müssen. Die DNA-Microarraytechnologie und der kommerziell erhältliche E. coli O157 Array ermöglichen diese umfassenden Analyse des Transkriptionsprofils. Im Rahmen dieser Arbeit konnte diese Technologie für Untersuchungen der Genexpression von E. coli O157 etabliert und validiert werden. / Infection with Shiga toxin producing Escherichia coli (STEC) is a serious cause of bloody diarrhea and sporadic cases and outbreaks of food-related diseases such hemorrhagic colitis and the hemolytic uremic syndrome (HUS) worldwide. The use of antibiotics in therapy of STEC-associated diseases has been discussed controversially. Release of phage-encoded Shiga toxins is the major virulence factor of enterhemorrhagic Escherichia coli (EHEC). The genome of the EHEC strain E. coli O157:H7 EDL933 contains 18 prophages or prophages elements, including the Stx1- and Stx2-encoding phages CP-933V and BP-933W. Stx-production and Stx-prophage induction can be stimulated by certain antibiotics, e.g. mitomycinC or UV light. The aim of this study was to investigate the influence of a low concentration of the gyrase inhibitor norfloxacin on the whole transcriptom of E. coli O157:H7 strain EDL933 and particularly on the gene expression of prophages using the DNA-microarraytechnology and the commercial available MWG E. coli O157 Array. To determine this, E. coli O157:H7 cultures were incubated with 200 ng/ml norfloxacin. Total RNA was isolated and labelled with fluorescence dyes during reverse transcription. Following this, the labelled cDNA was hybridized with the commercial E. coli O157 Arrays and the fluorescence intensities were measured, analysed and evaluated with appropriate software. Results of this study have indicated that a low concentration of norfloxacin have profound effects on the trancriptome of E. coli O157:H7. Under the conditions applied (200 ng/ml norfloxacin) and an incubation time of 120 minutes, 118 spots indicated a transcriptional upregulation and 122 spots a transcriptional downregulation of E. coli O157:H7 genes present on the array. In detail, 85 spots could be ascribed to EDL933 phage genes. Fifty-two of them could be assigned to the Shiga toxin encoding phages CP-933V and BP-933W, the others belonged to the non-Stx encoding phages or prophages elements existing in the EDL933 genome. Conspicuous, genes present in the late region of the BP-933W prophage were induced most strongly, up to 158-fold in the case of stxA2. Only some genes present in the early region of the Stx1 encoding phage CP-933V were induced upon induction with norfloxacin. Notably, only some genes of the non-Stx phages of EDL933 appeared to be induced after induction. The additional upregulated genes were related to recombination and stress functions and to E. coli O157:H7 RIMD0509952 genes. The majority of downregulated genes belonging to primary metabolism, such as amino acid biosynthesis, cell division and energy metabolism. In conclusion, an induction of E. coli O157:H7 strain EDL933 with 200 ng/ml norfloxacin has profound effects on the transcriptome of E. coli O157:H7, in particular on the global gene expression of more then ten prophages. The DNA-microarray technology and especially the E. coli O157 Array offer a modern tool for analysis of transcription profiles of the serious pathogen EHEC O157 in response to stress, e.g. antibiotics. In the context of this work, the DNA-microarraytechnology could be established and validated to provide the opportunity for further studies about the global effects on the whole transcriptome of E. coli O157.

Eine ständig steigende Nachfrage nach einer auf pflanzlichen Stoffen basierenden Hormonersatztherapie für menopausale Beschwerden, macht eine verstärkte Untersuchung sogenannter Phytoöstrogene erforderlich. Bei den hier untersuchten Substanzen handelt es sich um die chemisch synthetisierten Flavanone 6-(1,1-Dimethylallyl)Naringenin (6DMAN) und 8-Prenylnaringenin (8PN), die ursprünglich in Pflanzen identifiziert wurden. 7-Oxyprenylnaringenin-4'-Azetat (7OPN) ist ein weiteres Mitglied dieser Stoffgruppe, zu dem jedoch bisher noch praktisch keine Daten vorlagen. Ebenfalls in die Untersuchungen einbezogen wurde ein isopropanolischer Extrakt aus dem Rhizom von Cimicifuga racemosa (L.) Nutt. (iCR), der schon seit langer Zeit erfolgreich zur Bekämpfung menopausaler Beschwerden eingesetzt wird, dessen Wirkmechanismus jedoch unbekannt ist und zu dem bisher noch wenige molekulare Daten bezüglich der Wirkung auf einzelne Zielorgane, insbesondere nach einer Behandlung über einen längeren Zeitraum vorliegen. Die durchgeführten Untersuchungen betrafen zum Einen den Uterus als eines der Hauptzielorgane weiblicher Sexualhormone und zum Anderen die Vena cava, repräsentativ für das Gefäßsystem. Als Modellorganismus wurden Ratten gewählt. Dabei wurde die Genexpression Östrogen (E2)-regulierter Gene auf mRNA-Ebene mittels Real-Time-PCR bestimmt. Die Wirkung von 7OPN wurde in einem in vitro-System (MVLN-Zellen) und im Uterus getestet. Zusätzlich wurden humane Nabelschnurvenen-Endothelzellen als in vitro-Modell für das Gefäßsystem eingesetzt. Mit ihnen wurde die Wirkung der Testsubstanzen auf Angiogenese und Differenzierung getestet. Die durch die E2 hervorgerufenen Effekte entsprachen weitestgehend den Erwartungen. Es konnte sowohl eine Zunahme des Uterusgewichts der Ratten als auch eine Regulation der Expression von Proliferationsmarkern und E2-abhängig regulierten Genen im Uterus auf mRNA-Ebene festgestellt werden. Auch im Gefäßsystem konnte sowohl eine Regulation E2-abhängig exprimierter Gene beobachtet werden, als auch ein proliferationsfördernde und differentiationsfördernde Wirkung auf venöse Endothelzellen in vitro. Die untersuchten Flavanone zeigten einen von den vorhandenen funktionalen Gruppen abhängigen Effekt auf die E2-regulierten Prozesse und Gene. Während es sich bei 8PN um eine rein östrogen wirkende Substanz zu handeln scheint, wirkt 6DMAN offenbar als selektiver Östrogenrezeptor-Modulator (SERM) und zeigt für einen Einsatz in der HRT sehr interessante Eigenschaften, da weder ein uterotrophe Wirkung in vivo, noch eine angiogene Wirkung in vitro beobachtet werden konnte, während gleichzeitig eine östrogene, potentiell kardioprotektive Wirkung auf die Genexpression im Gefäßsystem gezeigt werden konnte. Auch 7OPN zeigt ein differenziertes Wirkmuster. Ein in vitro-Reportergentest in einer stabil transfizierten Brustkrebszellinie deutete auf eine in Abhängigkeit von der Konzentration E2-antagonistische oder agonistische Wirkung hin. Die Genexpressionsstudien im Uterus der Versuchstiere nach dreitägiger Behandlung zeigten, daß die Wirkung von 7OPN jedoch auch abhängig vom untersuchten Gen ist. Da auch dieses Flavanon keine uterotrophe Wirkung zu besitzen scheint, ist 7OPN ebenfalls eine interessante Zielsubstanz weiterer Untersuchungen im Hinblick auf die Anwendung in der HRT. Für den in einem Arzneimittel enthaltenen Extrakt iCR konnte in einem 17-tägigen Tierversuch keine östrogene Wirkung auf Uterus und Gefäßsystem gezeigt werden. Während eine Anwendung dieses Extrakts zur Behandlung menopausaler Beschwerden im Lichte dieser Ergebnisse und langjähriger praktischer Erfahrungen zwar sicher erscheint, bleibt der Wirkmechanismus von iCR weiterhin unbekannt.

Due to the current rise of exposure to natural and synthetic compounds in our daily life, the debate concerning the safety of many substances is becoming increasingly relevant. The estrogenic activity of various compounds, described as xenoestrogens, is the major part of this debate. Humans beings are exposed to these substances from different environmental contaminations ranging from conscious intake of estrogenic substances, as in contraception or in hormone replace therapy (HRT), to unconscious exposure, from food, the use of synthetic material in daily life and air and water pollution. At this point the need for methods to investigate the activity and the safety of these substances is becoming increasingly important. Classical methods for the analysis of the estrogenic activity of substances, like batteries of in vivo test systems on the rat uterotrophic assay are not able to describe the different pathways of action of recently discovered estrogenic substances. This evidence was already shown by the Organization for Economic Cooperation and Development (OECD), introducing new test guidelines for the investigation of effects of endocrine disruptors (according to enhanced Test Guideline 407). As reviewed by Nilsson (Nilsson et al., 2001), after the interaction of the estrogens with the Estrogen Receptor (ER) in the cells, the mechanism of activation possible is not only via direct binding of the ER to the Estrogen Responsive Elements (EREs) present in the promoter region of the target gene, very well described for many target genes, but that also other mechanisms are used: the interaction of the ER with the AP 1, Sp 1 and NFkB modes, that are discovered but not yet comprehensively described. The aim of my work is to produce a microarray DNA chip for the investigation of the estrogenic activity of different compounds present in the environment. The chip will consist of a selection of 100 genes that are estrogen responsive and it will cover the spectrum of activities of estrogenic compounds in various organs of the body. In the gene selection, genes were chosen that are estrogen responsive in the classical target tissues of estrogens, linked to reproduction, like uterus and mammary gland, and also in tissues not related to reproduction like liver, bones and capillars. In addition, other genes are included to monitor different pathways that are related to disease states; control of cell proliferation, apoptosis or cancer related genes. Currently these kinds of investigations are already in process, but by other methods which are more time consuming and with a lower throughput e.g. the gene expression profiling using the real time RT-PCR. The use of microarray’s satisfies the need for a less time consuming, high throughput method, to obtain a fast characterization of the gene expression finger print of the candidate substances and their mechanism of action in the organism. In my work I investigated the estrogenic potency of different Xenoestrogens that commonly occur in our daily life, in rat cells and tissue using well known estrogen sensitive genes like C3, Clu, IGFBP1 and CaBP9k. I focused on their effect on cell proliferation, studying PCNA expression. For the first time sensitivity of the gene CA2 was proofed in liver and uterus. A new identified mRNA sequence, r52, was characterized for its sensitivity to estrogenic exposure. This sequence was investigated at the molecular level expanding the known nucleic sequence. I produce a microarray chip with 16 genes to investigate the estrogenic potency of different compounds. As proof of principle of the microarray method completely produced in house I compared the result of gene expression obtained by the chip to that obtained by real time RT PCR finding a similarity of results. This new established method is less sensitive than the real-time RT PCR but allows a high throughput of gene expression analysis producing at the end a more complete picture of the expression signature of a compound.

The prevalence of obesity is dramatically increasing and thus constitutes a major risk factor for developing chronic diseases such as type 2 diabetes, dyslipidemia, cardiovascular diseases, and certain forms of cancer. High-caloric nutrition and a lack of physical activity are the main contributing factors for this global epidemic. Estrogen receptors (ERs) are recognized to be involved in many processes related to the control of energy homeostasis. In my studies, I investigated the impact of estrogens (17beta-estradiol (E2)) on energy homeostasis. Special emphasis was given to the effects of two synthetic ER subtype-selective agonists, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), to determine to what extend the two distinct ER subtypes are involved in the underlying molecular mechanisms. Because of its estrogenic activity and also its widespread use as a nutritional supplement the influence of the isoflavone genistein (Gen) was examined. For this purpose two different female rat models were used: Wistar rats with nutrition-induced obesity and leptin resistant Zucker diabetic fatty (ZDF) rats. In both experiments, the animals were ovariectomized (OVX) and treated with vehicle (untreated controls) or the estrogenic compounds. The most important finding was that treatment of OVX animals with Beta enlarges soleus muscle fiber sizes in both animal models compared to untreated OVX animals. This anabolic effect may in turn improve the muscle/fat ratio of the body that enhances muscular uptake and utilization of fuels. By contrast, in the gastrocnemius muscle of OVX ZDF rats substitution with Alpha increased expression and distribution of the insulin-dependent glucose transporter 4 (GLUT4). Consequently, systemic insulin sensitivity in both animal models was improved by treatment with estrogenic compounds compared to untreated OVX animals. The strongest effect was observed in E2-treated rats that indicate an additive effect through activation of both pathways. In all OVX rats, treatment with either ER subtype-selective agonist showed an anti-lipogenic effect in adipose tissue, liver, and skeletal muscle of nutrition-induced obese Wistar rats in comparison to OVX animals without treatment. Decreased visceral fat mass, adipocyte sizes, serum leptin levels, triglyceride accumulation in liver and muscle as well as mRNA expression of genes that are involved in lipo-/adipogenesis reflected this. Therefore, the lower visceral fat mass as well as decreased accumulation of triglycerides in non-adipose tissues such as liver and skeletal muscle most likely contributes to the improved insulin sensitivity in such treated animals. Gen exerted effects similar to those of the ER beta-selective agonist (except on adipose tissue in Wistar rats). Especially, the similar ability to induce anabolic activity in the soleus muscle might be highly relevant. Gen-treated animals might have a more effective utilization of fuels compared to untreated OVX animals because they showed a lower TG content in muscle and liver as well as improved glucose metabolism. In conclusion, because of my studies and the fact that ER beta signaling is not involved in proliferation of uterus and mammary gland, an effective way to treat obesity and co-morbidities in postmenopausal women might be substances that only activate ER beta. A combination with physical activity may support the therapy of obesity and co-morbidities. The isoflavone Gen is able to activate both ER-subtypes. This compound is already placed on the market for treatment of postmenopausal complaints, although adverse effects of Gen cannot be excluded so far (e.g., increased risk of breast cancer). However, Gen might be a natural alternative – not only to the conventional hormone replacement therapy, but also as a strategy for treatment of obesity and co-morbidities – that deserves further research with respect to these new data. / Die dramatisch zunehmende Prävalenz der Adipositas und das damit verbundene Risiko für Folgeerkrankungen wie Diabetes mellitus, Hypertonie, Dyslipidämie und koronare Herzkrankheiten stellt eine große Herausforderung für das Gesundheitswesen dar. Als Hauptursache wird ein chronisches Missverhältnis der Energiehomöostase aufgrund permanenter Überernährung und Bewegungsmangel postuliert. Estrogene beeinflussen den Glukose- und Lipidstoffwechsel und sind somit in die Regulation des Energiehaushaltes involviert. Estrogene vermitteln ihre Effekte über zwei Estrogenrezeptor (ER)-Subtypen, den ER alpha und den ER beta. Ziel der vorliegenden Arbeit war es mittels tierexperimentellen Studien den Einfluss von Estrogenen, speziell 17beta-Estradiol, auf den Energiehaushalt zu untersuchen. Um einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen zu erhalten, wurden zwei Subtyp-selektive ER-Agonisten, 16alpha-LE2 (Alpha) and 8beta-VE2 (Beta), synthetischer Herkunft eingesetzt. Aufgrund der estrogenen Aktivität und der Verfügbarkeit als Nahrungsergänzungsmittel wurde des Weiteren der Einfluss des Isoflavons Genistein untersucht. Für die Studien wurden zwei Tiermodelle genutzt: zum einen weibliche Wistar-Ratten mit ernährungsinduzierter Adipositas und zum anderen weibliche leptinresistente „Zucker diabetic fatty“ (ZDF)-Ratten. Die Tiere wurden ovarektomiert (OVX) und entweder mit einem Vehikel (unbehandelte Kontrolltiere) oder mit der entsprechenden estrogenen Substanz behandelt. Die interessanteste Erkenntnis war, dass im Vergleich zu unbehandelten OVX-Tieren beider Tiermodelle die Behandlung mit Beta zur Vergrößerung der Faserquerschnitte im Soleusmuskel führte. Dieser anabole Effekt könnte die muskuläre Aufnahme und Verwertung von Brennstoffmolekülen verbessern und sich insgesamt positiv auf die Körperzusammensetzung auswirken. Den stärksten Effekt hinsichtlich einer erhöhten Expression und Translokation des insulinabhängigen Glukosetransporters 4 (GLUT4) in die Zellmembran des Gastrocnemiusmuskels zeigte sich dagegen durch die Behandlung von OVX ZDF-Ratten mit Alpha. Im Endergebnis zeigten die Tiere beider Modelle durch die Behandlung mit estrogenen Substanzen eine verbesserte systemische Insulinsensitivität im Vergleich zu unbehandelten Kontrolltieren. E2-behandelte Tiere tolerierten die Glukose am besten und lassen einen additiven Effekt aufgrund der Aktivierung beider Signalwege vermuten. Im Vergleich zu unbehandelten OVX Wistar-Ratten führte die Behandlung mit E2 oder mit jeweils einem der beiden ER-Subtyp-selektiven Agonisten zu einer geringeren viszeralen Fettmasse, kleineren Fettzellen, niedrigeren Leptinspiegeln im Serum und geringeren Triglyzeridwerten in Leber und Muskel. Auf der Ebene der Genexpression waren zudem geringere mRNA-Spiegel von lipo- und adipogenen Genen messbar. Somit scheinen beide ER-Subtypen in die antilipogene Wirkung von E2 involviert zu sein. Sowohl die reduzierte viszerale Fettmasse als auch die geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Leber und Muskel tragen sehr wahrscheinlich ebenfalls zur verbesserten Insulinsensitivität bei. Die Behandlung von OVX Tieren mit Gen führte zu ähnlichen Ergebnissen wie die Behandlung mit Beta. Eine alleinige Ausnahme stellte das Fettgewebe dar, da hier eine Gen-Behandlung keine antilipogenen/-adipogenen Effekte zeigte. Speziell die Fähigkeit von Gen ebenfalls anabol zu wirken, könnte die molekulare Grundlage sein, weshalb Gen-behandelte Tiere im Vergleich zu unbehandelten Tiere eine verbesserte Toleranz gegenüber Glukose und eine geringere Anreicherung von Triglyzeriden in Muskel und Leber zeigten. Der ER beta ist nicht in die estrogenvermittelte Proliferation von Uterus und Brustdrüse involviert. Vor diesem Hintergrund lassen meine Ergebnisse vermuten, dass eine Behandlung mit ER beta-selektiven Substanzen eine effektive Möglichkeit darstellt, um Adipositas und deren Folgeerkrankungen in postmenopausalen Frauen zu behandeln, ohne deren Risiko für estrogenabhängige Krebsformen zu erhöhen. Eine Kombination mit regelmäßiger körperlicher Aktivität könnte die Erfolge bei der Behandlung von Adipositas und deren Folgeerkrankungen noch maximieren bzw. eine geringere Dosierung der verwendeten Substanz bei gleichbleibendem Behandlungserfolg ermöglichen. Das Isoflavon Gen mit seiner Fähigkeit beide ERs zu aktivieren ist eine bereits auf dem Markt befindliche Substanz und wird zur Behandlung von postmenopausalen Beschwerden eingesetzt, obwohl mögliche negative Effekte (z.B. ein erhöhtes Brustkrebsrisiko) noch nicht abschließend geklärt sind. Falls diese Risiken von Gen ausgeräumt werden können, könnte diese Substanz eventuell eine kostengünstige Alternative darstellen, um sowohl postmenopausale Beschwerden als auch Adipositas und deren Folgekrankheiten zu behandeln.

The development of an organism and its adult homeostasis rely on regulatory mechanisms that control the underlying gene expression programs. In certain biological contexts, such as germ cell development, gene expression regulation is largely executed at the post-­‐transcriptional level. This relies on RNA-­‐binding proteins (RBPs), whose activity and expression are also heavily controlled. While the RNA-­‐binding potential of RBPs is currently of intense scrutiny, surprisingly little is known to date about the molecular mechanisms that control RNA-­‐binding proteins abundance in the context of germ cell development. This work identifies the molecular mechanisms that shape expression patterns of two evolutionarily conserved RNA-­‐binding proteins, CPB-­‐3 and GLD-­‐ 1, which belong to CPEB and STAR protein family, respectively. By focusing on their regulation in the C. elegans germ line, this work reveals an involvement of the proteasome in reducing levels of CPB-­‐3/CPEB and GLD-­‐1/STAR at the pachytene-­‐to-­‐diplotene transition during meiotic prophase I. Furthermore, it documents that CPB-­‐3 and GLD-­‐1 are targeted to proteasomal degradation by a conserved SCF ubiquitin ligase complex that utilises SEL-­‐10/Fbxw7 as a substrate recognition subunit. Importantly, destabilisation of both RBPs is likely triggered by their phosphorylation, which is regulated by the mitogen-­‐activated protein kinase, MPK-­‐1, and restricted to the meiotic timepoint of pachytene exit. Lastly, this work investigates the potential consequences of target mRNA regulation upon delayed RBP degradation. Altogether, the collected data characterise a molecular pathway of CPEB and STAR protein turnover, and suggest that MPK-­‐1 signaling may couple RBP-­‐mediated regulation of gene expression to progression through meiosis during oogenesis.

Changes in gene expression programs play a central role in cancer. Chromosomal aberrations such as deletions, duplications and translocations of DNA segments can lead to highly significant positive correlations of gene expression levels of neighboring genes. This should be utilized to improve the analysis of tumor expression profiles. Here, we develop a novel model class of autoregressive higher-order Hidden Markov Models (HMMs) that carefully exploit local data-dependent chromosomal dependencies to improve the identification of differentially expressed genes in tumor. Autoregressive higher-order HMMs overcome generally existing limitations of standard first-order HMMs in the modeling of dependencies between genes in close chromosomal proximity by the simultaneous usage of higher-order state-transitions and autoregressive emissions as novel model features. We apply autoregressive higher-order HMMs to the analysis of breast cancer and glioma gene expression data and perform in-depth model evaluation studies. We find that autoregressive higher-order HMMs clearly improve the identification of overexpressed genes with underlying gene copy number duplications in breast cancer in comparison to mixture models, standard first- and higher-order HMMs, and other related methods. The performance benefit is attributed to the simultaneous usage of higher-order state-transitions in combination with autoregressive emissions. This benefit could not be reached by using each of these two features independently. We also find that autoregressive higher-order HMMs are better able to identify differentially expressed genes in tumors independent of the underlying gene copy number status in comparison to the majority of related methods. This is further supported by the identification of well-known and of previously unreported hotspots of differential expression in glioblastomas demonstrating the efficacy of autoregressive higher-order HMMs for the analysis of individual tumor expression profiles. Moreover, we reveal interesting novel details of systematic alterations of gene expression levels in known cancer signaling pathways distinguishing oligodendrogliomas, astrocytomas and glioblastomas.